CN109333161B - 一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，包括：若干安装于机床主轴传动部件的各关键连接处的智能螺栓，内置用于采集振动信号的三轴加速度传感器；无线传输单元，设于智能螺栓内部并发送振动信号；信号接收单元，位于机床控制系统用于接收振动信号；数据处理单元，位于机床控制系统并计算分析振动信号；报警单元，与接收数据处理单元电连接，发出警报；机床伺服单元，其与接收数据处理单元电连接，控制相应设备的紧急停机。本发明具有以下优点和效果：本发明给机床上无处不在的螺栓赋予了感知功能，能有效的监测机床主轴传动部件工作状态，最大化的保证被加工产品的质量，提高机床运行效率，保护机器和人员安全。

Description

一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统

技术领域

本发明涉及机械设备状态监测领域，特别涉及一种用于机床主轴传动部 件故障检测的智能螺栓监测系统。

背景技术

智能机器区别于传统机器的最大特征就是像人类一样能够对自身运行状 态进行实时监测分析，智能化的做出最优化的决策，最大化的保证产品质量， 从而提高工作效率，保护机器和人员安全。作为“工业之米”的螺栓在智能 机器上同样是必备零件，若机器的螺栓也具备监测分析能力，将为机器智能 化提供一个有效的解决方案。

机器在正常运行过程中，其振动信号是平稳的在一定范围内波动；机器 超负荷运转或工作异常时，其振动信号是异常的(振幅均值超差、周期性冲 击)；由于操作不当或是程序错误，会出现运动部件之间的撞击现象(如机床 主轴撞击工件或夹具)，其振动信号在撞击的瞬间会出现异常峰值。这些异常 状态轻则造成机器设备和加工零件的损坏，重则造成操作人员的人身伤害， 甚至引发重大生产安全事故造成重大经济和人员损失。

螺栓是机械结构中最重要的零件之一，在传统工业领域，机械零件通常 仅作为结构件存在，而在智能化时代，智能化的结构件将不仅仅只是结构件， 结构功能一体化是必然趋势。结构功能一体化是指机械零件除作为结构件使 用外，同时还具备一定的附加功能，如感知、驱动、存储、形变和自修复等。 智能化的机械需要由众多的传感器来提供信息，而无处不在的具有感知功能 的智能螺栓将是最好的选择之一。

现有的智能螺栓主要有以下五类：第一类是内置热电偶监测温度的智能 螺栓，第二类是内置压电式应变片监测预应力的智能螺栓，第三类是不同拉 力下颜色不同的监测预应力的智能螺栓，第四类是带有数字标签用于身份识 别的智能螺栓，第五类是内置光纤光栅传感器的既可监测温度也可监测预应 力的智能螺栓。以上各类监测温度与应力的智能螺栓在船舶工程、电网工程、 水利工程、桥梁建筑工程等领域的很多造价昂贵的大型工程结构和设备，如 风机、海洋平台、桥梁、输电塔、港机、船舶等领域存在较广的应用潜力。

但对于智能机器来说，振动监测是最为方便和成熟的一种故障检测方式， 应用于机器运行状态的实时监测与诊断，然而，国内外尚未见到用于监测振 动信号的智能螺栓监测系统。

本发明提出一种用于机床主轴传动部件故障检测的无线智能螺栓监测系 统，有效地监测机床主轴传动部件运行过程中的振动信号，分析判断机器所 处运行状态。在机床撞机事故发生瞬间紧急停机，减轻机床撞机事故的危害， 保护设备和人员的安全；在主轴传动系统主要零件故障发生前发出报警，提 醒维护人员及时检修，提高经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓 监测系统，其通过机床上随处可见的螺栓来监测设备状态，采用瞬间振动峰 值监测、周期性振动频率匹配以及平均振幅监测相结合的方法来确定机床是 否发生机床撞机事故、机械故障，并自动做出紧急停机、检修报警或继续运 行决策。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于机床 主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，包括：

若干安装于机床主轴传动部件的各关键连接处的智能螺栓，各所述的智 能螺栓均内置三轴加速度传感器，并用于采集振动信号；

无线传输单元，其设于对应的智能螺栓内部，并用于发送采集到的振动 信号；

信号接收单元，其内置于机床控制系统中，并用于接收无线传输单元所 发射的振动信号；

数据处理单元，其内置于机床控制系统，并通过计算分析信号接收单元 获取的振动信号的平均幅值、周期性冲击频率以及瞬时冲击判断机床主轴运 行状态；

报警单元，其与接收数据处理单元电连接，并接收来自数据处理单元的 命令，发出警报；

机床伺服单元，其与接收数据处理单元电连接，并接收来自数据处理单 元的命令，控制相应设备的紧急停机。

进一步设置是所述的智能螺栓内置电磁式能量收集装置及锂离子电池， 所述的电磁式能量收集装置基于磁通量的变化产生感应电动势为锂离子电池 供电，所述的锂离子电池为加三轴加速度传感器供电。

进一步设置是所述的三轴加速度传感器采用压电陶瓷式传感元件。

进一步设置是所述的无线传输单元包括2.4GHz频段的RF收发器。

进一步设置是所述的信号接收单元内置可编程滤波器。

进一步设置是所述的数据处理单元中的计算分析具体包括:

S1、数据处理单元实时监测振动信号的振幅均值，并与预设正常运行阈 值进行对比，当监测的振动信号超出阈值时，命令报警单元发出警报，提醒 设备维护人员检查主轴运行状态；

S2、数据处理单元利用希尔伯特包络解调算法实时监测振动信号中的周 期性冲击成分，当这些周期性成分与该智能螺栓连接的旋转零件的故障频率 一致时，命令报警单元出警报，提醒设备维护人员重点检查该可能出现故障 的零件；

S3、数据处理单元实时监测瞬时冲击振动信号，若检测到超过预设阈值 的瞬时冲击振动信号，向机床伺服单元发送紧急停机指令。

本发明的有益效果是：

1、本发明给机床上无处不在的智能螺栓赋予了感知功能，能有效的监测 机床主轴传动部件工作状态，最大化的保证被加工产品的质量，提高机床运 行效率，保护机器和人员安全。

2、以机床设备上无处不在的智能螺栓为载体，设计出用于机床主轴传动 部件故障检测的无线智能螺栓监测系统，通过对智能机器关键连接点振动信 号在线监测，可以判断出机床主轴的运行状态并防止严重机床撞击事故的发 生。

3、利用电磁式能量收集装置收集到的设备振动能量给锂离子电池充电， 同时利用锂离子电池给加速度传感器供能，从而保证了智能螺栓长期稳定工 作的能源需求。

4、振动信号采用无线传输方法，避免了对运动部件进行振动监测时经常 面临的布线问题，能够方便有效的对复杂设备进行多传感器网络化监测。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的系统流程图；

图3为本发明中智能螺栓的结构示意图；

图4为本发明中判断机床主轴传动部件状态的原理图；

图5为本发明的系统图；

图6为本发明中主轴轴承故障诊断结果图。

图中：1、智能螺栓；11、电磁式能量收集装置；12、锂离子电池；13、 三轴加速度传感器；2、无线传输单元；3、信号接收单元；4、数据处理单元； 5、报警单元；6、机床伺服单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

针对机床运行状态自动连续监测的问题，提出的一种用于机床主轴传动 部件故障检测的智能螺栓监测系统，其通过机床上随处可见的螺栓来监测设 备状态，采用瞬间振动峰值监测、周期性振动频率匹配以及平均振幅监测相 结合的方法来确定机床是否发生机床撞机事故、机械故障(如主轴、轴承、 齿轮等)，并自动做出紧急停机、检修报警或继续运行决策。

机床部件之间的连接绝大多数是靠螺栓实现的，如将传感器放置在单体 零件上，由于单个铸件或锻件的质量和刚度很大比较稳定，振动信号比较微 弱不利于进行振动监测。本发明将传感器放置于机床主轴部件之间的连接螺 栓上，由于部件连接处的刚性较差，振动信号更能明显的反映出机器运行状 态的变化。

在机床的主要运动部件连接智能螺栓1，并内置三轴加速度传感器13收 集振动信号，然后经由无线传输单元2，将振动信号传输给机床控制系统的 信号接收单元3，并通过数据处理单元4实时监测机器运行状态，作出决策， 最终于报警单元5及机床伺服单元6执行决策。

如图1至图6所示，为本发明实施例中，提出的一种用于机床主轴传动 部件故障检测的智能螺栓1监测系统，其包括：

智能螺栓1、无线传输单元2、信号接收单元3、数据处理单元4、报警 单元5以及机床伺服单元6，智能螺栓1内设置有用于采集振动信号的三轴 加速度传感器13、循环供电的电磁式能量收集装置11及锂离子电池12。无 线传输单元2位于智能螺栓1内并与三轴加速度传感器13电连接，用于传输 三轴加速度传感器13采集到的振动信号，信号接收单元3位于机床控制系统 内，用于接收无线传输单元2发送的振动信号，数据处理单元4与信号接收单元3电连接，并计算分析信号接收单元3所接收到的振动信号特征，报警 单元5和机床伺服单元6分别与数据处理单元4电连接，用于接收来自数据 处理单元4的命令。具体的：

1、利用内置三轴加速度传感器13的智能螺栓1(如图3所示)采集振 动信号：

1.1、本发明的智能螺栓1一般安装在机床主轴传动部件的关键连接处， 如主轴箱与线性导轨滑块的连接处，主轴轴承座固定螺栓处等。

1.2、智能螺栓1内置的三轴加速度传感器13采用压电陶瓷式传感元件， 内置压电集成电路，自带电压放大器，该类型加速度传感器集成了灵敏的电 子器件使其尽量靠近传感器以保证更好的抗噪声性并更容易封装。

1.3、智能螺栓1内置电磁式能量收集装置11及锂离子电池12。电磁式 能量收集技术是把外界随机的机械振动转化为线圈回路或永磁体的运动，实 现两者之间的相对运动，从而使线圈回路内磁通量发生变化，产生感应电动 势。锂离子电池12具有比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小等优 点。利用电磁式能量收集装置11给锂离子电池12充电，同时利用锂离子电 池12给加三轴加速度传感器13供能，从而保证了智能螺栓1长期稳定工作 的能源需求。

2、利用智能螺栓1内置的无线传输单元2发送振动信号。无线传输单元 2采用2.4GHz频段的RF收发器，可编程发射能量从0dBm(1mW)到20dBm (100mW)，有效通信距离150米可满足大型机床设备远程状态监测需求。

3、信号接收单元3内置在机床控制系统中，采用与无线信号传输单元相 匹配的通信协议，该信号接收单元3内置可编程滤波器，具备抗锯齿波优化 功能以及抗混叠功能。

4、内置于机床设备控制系统的数据处理单元4通过计算分析无线信号接 收单元3获取的振动信号的平均幅值、周期性冲击频率以及瞬时冲击判断机 床主轴运行状态，运行状态的判断原理如图4所示。

4.1数据处理单元4实时监测振动信号的振幅均值，并与预设正常运行 阈值进行对比，当监测的振动信号超出阈值时，给报警单元5发出警报，提 醒设备维护人员检查主轴运行状态。

4.2数据处理单元4利用希尔伯特包络解调算法实时监测振动信号中的 周期性冲击成分，当这些周期性成分与该智能螺栓1连接的旋转零件(转子、 轴承、齿轮等)的故障频率一致时，给报警单元5发出警报，提醒设备维护 人员重点检查该可能出现故障的零件。

4.3数据处理单元4实时监测瞬时冲击振动信号。由于操作不当或是程 序错误，会出现运动部件之间的撞击现象(如机床主轴撞击工件或夹具)，其 振动信号在撞击的瞬间会产生非常大的峰值，轻则造成机器设备和加工零件 的损坏，重则造成操作人员的人身伤害。出现此类情况时，数据处理单元4 给机床伺服单元6发送紧急停机指令。

5、机床伺服单元6及报警单元5接受数据处理单元4的命令，进行报警 或紧急停机操作，保护设备和人员的安全。整个监测系统如图5所示。

综上，本发明的核心是提供一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能 螺栓监测系统，将压电陶瓷式三轴加速度传感器13、电磁式能量收集装置11、 锂离子电池12以及发送振动信号的无线传输单元2内嵌在智能螺栓1中，并 将智能螺栓1安装在机床主轴传动部件的关键连接处，利用电磁式能量收集 装置11收集到的设备振动能量给锂离子电池12充电，同时利用锂离子电池 12给三轴加速度传感器13和无线传输单元2供能。智能螺栓1内置了功能 原件减少了有效受力截面的尺寸，为了保证整体的强度，需要提高智能螺栓 1的等级1～2级，并且加大智能螺栓1的公称直径4～6mm。信号接收单元3 和数据处理单元4内嵌于设备控制系统，信号接收单元3接收到智能螺栓1 发射的无线振动信号并将其传送给数据处理单元4，数据处理单元4实时计 算各个运动部件的平均振动幅值、希尔伯特包络解调频率以及瞬时冲击大小 并与预设阈值、零件故障频率对比识别出机床主轴各运动部件的状态，实现 对机床主轴运行状态的准确监测。

另外，为验证本发明的准确性，进行了应用实施：

本发明的系统实际应用于卧式加工中心的主轴传动部件，报警单元5位 于机床操作面板内，包含屏幕显示与语音报警功能。该实施例中，依据该机 床加工过程经验，我们将瞬时振动峰值设置为12.5m/s2、平均振动阈值设置 为5.5m/s2，依据主轴轴承参数可以计算出各类故障频率为：

外圈故障频率：

内圈故障频率：

滚动体单故障频率：

式(1)、(2)、(3)中，f为回转频率，Z为滚动体个数，α为轴承压 力角，d为滚动体直径，E为轴承节圆直径。

当监测到大于振动峰值时立即紧急停机；利用希尔伯特包络解调技术分 析振动数据，当监测到与故障频率匹配的周期性振动频率时发出报警，提醒 维护人员检修相应零件的相应部位；当监测到平均振动值大于设定的平均振 动阈值时，发出警报提醒维护人员检修相应的部件。结果表明：该案例中的 智能螺栓系统能够有效的监测机床主轴运行状态，做出正常运行、维护报警、 紧急停机决策，保证了机床的高效安全运行。

该实例中，回转频率为30Hz、轴承滚动体个数为13个、轴承压力角为0 度、滚动体直径为6.5mm、轴承节圆直径为38.5mm。由式(1)、(2)、(3)可 以算出，该状态下轴承外圈故障频率为162.08Hz、内圈故障频率为227.92Hz、 滚动体故障频率为86.31Hz。主轴轴承诊断结果如图6所示，故障频率为 86.2Hz，与滚动体故障频率86.31Hz最为接近，可以判断该轴承滚动体发生 了故障。结果表明，诊断准确。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明 之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的 范围。

Claims (1)

1.一种用于机床主轴传动部件故障检测的智能螺栓监测系统，其特征在于，包括：

若干安装于机床主轴传动部件的各关键连接处的智能螺栓(1)，各所述的智能螺栓(1)均内置三轴加速度传感器(13)，并用于采集振动信号；

无线传输单元(2)，其设于对应的智能螺栓(1)内部，并用于发送采集到的振动信号；

信号接收单元(3)，其内置于机床控制系统中，并用于接收无线传输单元(2)所发射的振动信号；

数据处理单元(4)，其内置于机床控制系统，并通过计算分析信号接收单元(3)获取的振动信号的平均幅值、周期性冲击频率以及瞬时冲击判断机床主轴运行状态；

报警单元(5)，其与数据处理单元(4)电连接，并接收来自数据处理单元(4)的命令，发出警报；

机床伺服单元(6)，其与数据处理单元(4)电连接，并接收来自数据处理单元(4)的命令，控制相应设备的紧急停机；

所述的智能螺栓(1)内置电磁式能量收集装置(11)及锂离子电池(12)，所述的电磁式能量收集装置(11)基于磁通量的变化产生感应电动势为锂离子电池(12)供电，所述的锂离子电池(12)为加三轴加速度传感器(13)供电；

所述的三轴加速度传感器(13)采用压电陶瓷式传感元件；

所述的无线传输单元(2)包括2.4GHz频段的RF收发器；

所述的信号接收单元(3)内置可编程滤波器；

所述的数据处理单元(4)中的计算分析具体包括:

S1、数据处理单元(4)实时监测振动信号的振幅均值，并与预设正常运行阈值进行对比，当监测的振动信号超出阈值时，命令报警单元(5)发出警报，提醒设备维护人员检查主轴运行状态；

S2、数据处理单元(4)利用希尔伯特包络解调算法实时监测振动信号中的周期性冲击成分，当这些周期性成分与该智能螺栓(1)连接的旋转零件的故障频率一致时，命令报警单元(5)出警报，提醒设备维护人员重点检查该可能出现故障的零件；

S3、数据处理单元(4)实时监测瞬时冲击振动信号，若检测到超过预设阈值的瞬时冲击振动信号，向机床伺服单元(6)发送紧急停机指令；

该系统实际应用于卧式加工中心的主轴传动部件，将瞬时振动峰值设置为12.5m/s²、平均振动阈值设置为5.5m/s²，依据主轴轴承参数可以计算出各类故障频率为：

外圈故障频率：

内圈故障频率：

滚动体单故障频率：

式(1)、(2)、(3)中，f为回转频率，Z为滚动体个数，α为轴承压力角，d为滚动体直径，E为轴承节圆直径。

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